大亚湾反应堆中微子实验基于中子在氢上俘获的方式测量sin2(2θ13)

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中微子是构成物质世界的基本粒子,到目前为止,中微子是所有基本粒子中人们了解最少的粒子之一。1998年,日本超级神冈实验以确凿的实验证据发现“大气中微子振荡”现象,“中微子振荡”现象是迄今为止发现的唯一超出标准模型的实验证据。  在三代中微子的理论框架下,中微子振荡可以用6个参数进行描述,即三个混合角(θ12、θ23、θ13)、两个质量平方项(△m221、△m232)和一个CP相位角(δCP)。在2012年之前,6个参数中有两个半(△m232的正负、δCP和θ13)未知,其中,混合角θ13的测量有很重要的物理意义,θ13的大小影响中微子CP破坏程度及下一代中微子实验的发展方向。大亚湾反应堆中微子实验的目标是:在90%的置信水平下,能够精确测量sin2(2θ13)到0.01。2012年3月8日,大亚湾反应堆中微子实验利用55天的实验数据,发布第一个物理测量结果,以超过5σ的置信水平,测量到sin2(2θ13)=0.092±0.016(stat.)±0.005(syst.),这是实验上首次测量到非零θ13。  大亚湾反应堆中微子实验通过反β衰变((v)e+p→e++n)和液体闪烁体对反应堆中微子事例进行探测。末态产生的正电子会迅速与电子发生湮灭,释放2个背对背、能量分别为0.511 MeV的γ,这个信号被称为“快信号”;末态产生的中子慢化后,经过一定的特征俘获时间被俘获,产生γ,这个信号被称为“慢信号”。根据快慢信号的能量及时间关联关系,对反应堆中微子事例进行甄别。末态产生的中子主要有两种俘获方式:中子在钆核上俘获(nGd)、中子在氢核上俘获(nH)。  本论文基于中子在氢核上俘获(nH)的方式挑选反应堆中微子事例,通过对比远近点实验大厅的中微子事例率测量混合角θ13,这种方式测得的混合角θ13相对nGd方式测量的结果精度稍差,但由于其不同的挑选样本和系统误差,可以对nGd的测量结果进行强有力地检验,有很重要的物理意义。nH俘获方式其特征俘获时间较长(~200μs),且中子在氢上的俘获峰(~2.22 MeV)与天然放射性事例的能量区间重叠,会导致更多的偶然符合本底事例混入挑选样本中,使得nH俘获样本事例的挑选及物理分析面临更多的挑战。  为了尽可能地降低挑选样本中的偶然符合本底事例,要求快信号的起始能量从1.5MeV开始,且快慢信号的距离小于50厘米。论文首先对挑选事例样本的标准进行论述,挑选得到nH俘获事例样本,并对混入样本的的四种本底(偶然符合本底、快中子本底、9Li/8He、AmC本底)进行估计,给出具体物理结果及误差,其中偶然符合本底在近、远点分别约占挑选样本的12%、54%。然后,对nH事例挑选的效率以及非关联误差进行简单阐述,并考虑快信号能量在1.5 MeV处的振荡效应,对其挑选效率进行修正。最后,通过构造x2函数的方法,利用挑选的反应堆中微子样本的事例率信息,拟合给出621天实验数据的结果sin2(2θ13)=0.071±0.011,并对拟合结果进行检验和误差分析。
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